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1、首页氩离子激光器作者：许鑫杨皋摘自：防伪印刷第十九章印刷中常用的激光器时间:2001-11-17 第二节 氩离子激光器氩离子（ Ar+）激光器是一种惰性气体离子激光器，是目前在可见光区域输出功率最高的一种连续工作的激光器。一般输出功率为几瓦或几十瓦，在可见光区域可发射多条振荡谱线，其中以波长5 14.5nm （绿色）和488nm （蓝色）的最强，是目前激光制版印刷的重要光源之一。一、氩离子激光器结构和激发机理1氩离子激光器结构。氩离子激光器由放电管、磁场和谐振腔组成。其中最关键的部分是放电管。氩离子激光器放电管的核心是放电毛细管，由于氩离子激光器的工作电流密度高达数百安平方厘米，放电毛细管的管
2、壁温度往往在 1000以上。因此需采用耐高温、 导热性能好、气体清除速率低的材料制成，如采用石英管、氧化铍陶瓷管、分段石墨管等。高纯质密石墨是目前广泛使用的一种放电毛细管材料。由于石墨是良导体，为维持放电，石墨放电毛细管必须采用分段结构，段与段间彼此绝缘。图199 是一种分段石墨片结构的氩离子激光器的结构示意图。其中，放电毛细管由分段石墨片组成，石墨片由两根直径约3.5mm的氧化铝陶瓷杆串起来，并用小石英环使其每片隔开，彼此绝缘。整个组合体置于水冷套的石英管内，两端分别为提供电子发射的阴极和收集电子的石墨阳极，阴极选用钡钨材料。此外，氩离子激光管内设有回气管，使放电管气压平衡，有助于激光输出。
3、名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 图 1991石墨阳极 2 石墨片 3 石英环 4 水冷套 5 放电毛细管 6 阴极 7 保热屏 8 加热灯丝9布氏窗 10 磁场 11 贮气瓶 12 电磁真空充气阈 13 镇气瓶 14 波纹管 15 气压检测器在石墨管氩离子激光器中，管内的气体清除效应引起管内气压降低，使输出降低。为了延长激光管的使用寿命，在激光管上常常配备有贮气和充气装置。氩离子激光器的谐振腔由两个镀有多层介质膜
4、的反射镜组成。全反端17层，反射率达 99以上， 输出端镀 5 层，透射率 12（514.5nm）,14%(488nm)。为了提高氩离子激光器输出功率和寿命，还需加上几百到一千高斯的轴向磁场。通常由套在放电管外面的螺管线圈产生。2氩离子激光器激发机理。图 1910 是与产生 Ar+激光有关的能级图。放电管中快速电子与中性Ar 原子碰撞时，从Ar 原子中打出一个电子使之电离，形成基态氩离子Ar+（3P5）此过程可表示为：Ar（3P6）+e-Ar+（3P44P）+e-处于基态的Ar+再与电子碰撞可激发到高能态3d、4s、4d形成氩离子的激发态，此过程可表示为：Ar+（3P5)+e-Ar+（3P44
5、P）+e-Ar+（3P5)+e-Ar+（3P4ns）+e-n=4,5 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - Ar+（3P5)+e-Ar+（3P4nd）+e-n=3,4,5 氩离子激光器的主要激光跃迁发生在氩离子的激发态3P44P和 3P44S之间，3P44P是激光上能级， 3P44S是激光下能级，属于激发态3P44S 的能级有：双重态 2P1/2、2P3/2；四重态 24P1/2、4P3/2、4P5/2。属于激发态3P
6、44P的能级有：双重态 2S1/2；2P1/2、2P3/2、2D3/2、2D5/2。四重态 4S3/2；4P1/2、4P3/2、4P5/2；4D3/2、4D5/2、4D7/2。图 1910 中氩离子激光器的几条主要激光波长的能级与跃迁图。图 1910表 191 列出了氩离子激光器在可见光谱区的谱线和输出功率。表 191 氩离子激光的可见光光谱线激光跃迁能级波长 (nm) 或率（ W ）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - -
7、- 4P2S01/2 4S2P1/2457.9 0.35 4P2D03/2 4S2P3/2472.7 0.30 4P2P03/2 4S2P1/2476.5 0.75 4P2D05/2 4S2P3/2488.0 1.50 4P2D03/2 4S2P1/2496.5 0.70 4P4D05/2 4S2P3/2514.5 2.00 4P4D03/2 4S2P3/2528.7 0.34 注： 表中所列功率是Spectro-phsics生产的 165型氩离子激光器输出功率。二、氩离子激光器工作特性1光谱特征。 如前所述，氩离子激光器在可见光区可同时输出78 条光谱线，其中514.5nm 和 488nm为
8、最强，约占其总输出功率的30 40。腔内加上分光棱镜，经过调整可获得单一谱线的输出。腔内加FP 标准具，可以得到谱线宽度为3MHz的单频率激光输出。2输出功率与工作电流的关系。放电电流较小时， 输出功率约和工作电流的四次方成正比。 放电电流较大时， 输出功率逐渐变为与工作电流平方成比例。图 1911名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - 3输出功率与气压的关系。放电管内的气压对输出功率P 有直接影响， 实验测得放电管中最
9、佳气压和管径d有如下关系：Pd=0.8- 1.2Torr mm图 1911 是实验测得输出功率与充气压强的关系曲线。4输出功率与轴向磁场的关系。轴向磁场对放电管中做径向运动的带电粒子，有一洛伦兹力的作用，增加了轴心附近的电子和离子的密度，有助于提高输出功率。实验证明，轴向磁场可提高输出功率12倍。但是轴向磁场又会使激光谱线展宽，引起输出功率下降，因此存在一个使输出功率最大的最佳磁场强度（见图1912）。这个最佳值与放电电流、气压、管径和波长有关。由于电子、离子趋向于放电管轴，减少对管避的冲击，减少电极的溅射，因而同时可提高器件寿命。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -